UNIVERSITAS DIPONEGORO

ANALISA PENGARUH PERUBAHAN PERBANDINGAN LAJU ALIR MASSA

(DESICCANT TERHADAP UDARA) DAN VARIABEL (KECEPATAN DAN

TEMPERATUR) UDARA TERHADAP LAJU HUMIDIFIKASI DALAM

REGENERATOR DENGAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

TUGAS AKHIR

LUTFI HAVIDZ KIRANTHO L2E 005 460

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

SEMARANG MARET 2011

TUGAS SARJANA

Diberikan kepada : Nama : Lutfi Havidz Kirantho

NIM : L2E 005 460

Dosen Pembimbing : Ir. Eflita Yohana, MT

Jangka Waktu : 12 (dua belas) bulan

Judul : Analisa Pengaruh Perubahan Perbandingan Laju Alir Massa

(Desiccant Terhadap Udara) dan Variabel (Kecepatan dan

Temperatur) Udara Terhadap Laju Humidifikasi Dalam Regenerator

Dengan CFD

Isi Tugas : Mengetahui Laju Humidifikasi Pada Regenerator

1. Mengetahui pengaruh dan perbandingan optimal dari

perbandingan laju alir, perubahan variabel (temperatur dan

kecepatan) udara dan desiccant terhadap laju humidifikasi

Regenerator.

2. Mengetahui perbandingan laju humidifikasi terhadap laju alir

massa udara.

.

Semarang, 24 Maret 2011

Dosen Pembimbing

Ir. Eflita Yohana, MT

NIP. 196204281990012001

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

NAMA : Lutfi Havidz Kirantho

NIM : L2E 005 460

Tanda Tangan :

Tanggal : 24 Maret 2011

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

NAMA : Lutfi Havidz Kirantho

NIM : L2E 005 460

Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin

Judul Skripsi : Analisa Pengaruh Perubahan Perbandingan Laju Alir Massa

(Desiccant Terhadap Udara) dan Variabel (Kecepatan dan

Temperatur) Udara Terhadap Laju Humidifikasi Dalam

Regenerator Dengan CFD

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian

persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro.

TIM PENGUJI

Pembimbing I : Ir. Eflita Yohana, MT

Penguji : Ir. Djoeli Satridjo, MT

Penguji : Dr. AP. Bayuseno, MSc

Penguji : Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah

ini :

Nama : LUTFI HAVIDZ KIRANTHO

NIM : L2E 005 460

Jurusan/Program Studi : TEKNIK MESIN

Fakultas : TEKNIK

Jenis Karya : SKRIPSI

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas

Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya

ilmiah saya yang berjudul :

Analisa Pengaruh Perubahan Perbandingan Laju Alir Massa (Desiccant Terhadap Udara) dan Variabel (Kecepatan dan Temperatur) Udara Terhadap Laju Humidifikasi Dalam Regenerator Dengan CFD beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini

Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam

bentuk pangkalan data (database), merawat dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap

mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Semarang

Pada Tanggal : 24 Maret 2011

Yang menyatakan,

( LUTFI HAVIDZ K )

NIM: L2E 005

ABSTRAKSI

Dehumidifier dan Regenerator merupakan komponen penting dalam sistem

pengkondisian udara liquid desiccant. Pada Proses dehumidifikasi dalam dehumidifier,

desiccant mengalami penurunan konsentrasi akibat penyerapan uap air dari udara. Untuk

mengembalikan konsentrasi desiccant digunakan regenerator untuk proses regenerasi. Proses

regenerasi akan mengembalikan konsentrasi desiccant ke kondisi semula yang disertai dengan

kenaikan temperatur serta kelembaban udara akibat terjadinya evaporasi dari liquid desiccant.

Penelitian menggunakan simulasi software komputasi fluida dinamik (CFD) FLUENT 6.3

dengan variasi laju alir desiccant 0,01 – 0,05 kg/s pada tempertur 60 °C dan variasi udara

dengan kecepatan 5 – 13 m/s pada temperatur 30 – 40 °C.

Hasil simulasi menunjukkan, dengan perbandingan laju alir antara udara dan desiccant

yang sama, transfer massa(penambahan kelembaban desiccant terhadap udara) terbesar terjadi

pada kecepatan udara 5 m/s dan temperatur udara 40 °C, laju humidifikasi equal dengan

besarnya laju aliran massa.

Kata kunci : dehumidifier, regenerator, desiccant

ABSTRACT

Dehumidifier and regenerator is an important component in liquid desiccant air

conditioning system. In the process dehumidification in dehumidifier, desiccant concentration

decreased due to absorption of moisture from the air. To restore the concentration of desiccant

used the regenerator for regeneration. The regeneration of desiccant concentration will be

return to original state is accompanied by a rise in temperature and air humidity due to

evaporation of the liquid desiccant. The research uses computational fluid dynamic simulation

software (CFD) FLUENT 6.3 with desiccant flow rate variation from 0.01 to 0.05 kg / s at

temperature 60 °C and the variation of the air with speed 5-13 m / s at temperature of 30-40 °

C.

Simulations show, in the same time with a flow rate ratio between air and desiccant,

mass transfer (the addition of desiccant to air humidity), the largest occur at air velocity 5 m / s

and air temperature 40 ° C, humidification rate equal to the size of the mass flow rate.

Key words : dehumidifier, regenerator, desiccant

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah S.W.T, karena berkat

rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul “Analisa

Pengaruh Perubahan Perbandingan Laju Alir Massa (Desiccant Terhadap Udara) dan Variabel

(Kecepatan dan Temperatur) Udara Terhadap Laju Humidifikasi Dalam Regenerator Dengan

Computational Fluid Dynamics (CFD)”. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat yang

harus dipenuhi pada program strata satu (S1) di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,

Universitas Diponegoro Semarang.

Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas bimbingan,

bantuan, serta dukungan kepada :

1. Ir. Eflita Yohana, MT, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

2. Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT, selaku Dosen Koordinator Tugas Akhir.

3. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin angkatan 2005 yang telah banyak membantu

penulis baik secara moril, maupun materiil.

Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh karena

itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati untuk kemajuan

bersama. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat memberikan manfaat

kepada siapa saja yang membutuhkan data maupun referensi yang ada dalam laporan ini.

Terima kasih.

Semarang, 24 Maret 2011

Penulis

PERSEMBAHAN

 

Kupersembahkan Tugas Sarjana ini kepada Keluarga Tercinta 

 

1. Ibu          : Sri Maryani 2. Bapak  : Nooryanto 3. Kakak    : Ivan Norma Susila 4. Adik   : Normalia Ulfah Khasanah 

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ....................................................................................................... i

TUGAS SARJANA ............................................................................................................. ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS .............................................................. iii

HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ........................................ v

ABSTRAKSI ................................................................................................................... vi

ABSTRACT ..................................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ...................................................................................................... viii

HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................................... ix

DAFTAR ISI ................................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL .......................................................................................................... xvi

NOMENKLATUR .......................................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ........................................................................................ 1

1.2. Rumusan Masalah ....................................................................................... 2

1.3. Batasan Masalah .......................................................................................... 3

1.4. Tujuan Penelitian......................................................................................... 3

1.5. Metodologi Penelitian ................................................................................. 3

1.6. Sistematika Penulisan .................................................................................. 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Transfer Massa ............................................................................................ 6

2.2. Humidifikasi dan Dehumidifikasi ............................................................... 7

2.2.1. Proses Humidifikasi Adiabatis ......................................................... 7

2.2.2. Dehumidifier dan Regenerator ........................................................ 8

2.3. Model Matematika Perpindahan Massa ...................................................... 14

2.4. Volume Kendali .......................................................................................... 15

2.5. Volume Kendali Pada Kontinuitas, Energi dan Momentum ....................... 17

2.6. Diagram Psikometri..................................................................................... 19

2.7. Proses – Proses Dalam Udara dan Diagram Psikometri .............................. 25

2.8. Pepindahan Kalor Sensibel dan Kalor Laten Pada Permukaan Basah ........ 28

2.9. Cara mengurangi Kelembaban Relatif ........................................................ 31

2.10. Kriteria kondisi udara sehat dan nyaman .................................................... 32

2.11. Sorbent ........................................................................................................ 33

2.7.1. Absorbent ......................................................................................... 34

2.7.2. Adsorbent ......................................................................................... 37

BAB III DASAR METODA VOLUMA HINGGA FLUENT 6.3

3.1. Sekilas Tentang FLUENT ........................................................................... 38

3.2. Skema Numerik ........................................................................................... 38

3.2.1. Metode Segregated ............................................................................ 39

3.2.2. Metode Solusi Coupled ..................................................................... 40

3.3. Diskretisasi .................................................................................................. 41

3.3.1. Fist-Order Upwind ............................................................................ 43

3.3.2. Second-Order Upwind ....................................................................... 43

3.3.3. Power-Law ........................................................................................ 44

3.3.4. Bentuk Persamaan Diskret ................................................................ 45

3.3.5 Under-Relaxation Factor ................................................................... 46

3.4. Diskretisasi Segregated Solver .................................................................... 46

3.4.1. Diskretisasi Persamaan Momentum .................................................. 47

3.4.2. Skema Interpolasi Tekanan ............................................................... 47

3.4.3. Diskretisasi Persamaan Kontinuitas .................................................. 48

3.4.4. Pressure-Velocity Coupling .............................................................. 49

3.5. Diskretisasi Waktu ...................................................................................... 53

3.5.1. Integrasi Waktu Implisit .................................................................... 54

3.5.2. Integrasi Waktu eksplisit ................................................................... 55

3.6. Jenis Grid .................................................................................................... 55

3.7. Kualitas Mesh .............................................................................................. 55

3.7.1. Kerapatan Nodal ................................................................................ 56

3.7.2. Kehalusan .......................................................................................... 56

3.7.3. Bentuk Cel ......................................................................................... 57

BAB IV SIMULASI NUMERIK FLUENT 6.3

4.1. Model Regenerator .................................................................................... 58

4.2. Proses Simulasi ......................................................................................... 58

4.3. Simulasi Regenerator .................................................................................. 62

4.3.1. Pembentukan Model .......................................................................... 62

4.3.2. Pembuatan Mesh ............................................................................... 62

4.3.3. Kondisi Batas .................................................................................... 63

4.3.4. Definisi Model ................................................................................... 64

4.3.5. Kondisi Batas .................................................................................... 68

4.3.6. Solusi ................................................................................................. 69

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1. Hasil Penelitian .............................................................................................. 70

5.2. Pembahasan .................................................................................................... 78

5.3. Karakteristik Operasi Regenerator ................................................................ 82

BAB VI PENUTUP

6.1. Kesimpulan ................................................................................................. 90

6.2. Saran ............................................................................................................ 90

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Prinsip dasar proses humidifikasi dan dehumidifikasi ................................ 7

Gambar 2.2. Prinsip proses humidifikasi adiabatis .......................................................... 8

Gambar 2.3. Instalasi sistem dehumidifier ....................................................................... 10

Gambar 2.4. Sistem regenerator ..................................................................................... 10

Gambar 2.5. Packed tower ............................................................................................... 10

Gambar 2.6. Random Packing ......................................................................................... 12

Gambar 2.7. Regular Packing .......................................................................................... 12

Gambar 2.8. Distribusi aliran desiccant........................................................................... 12

Gambar 2.9. Eliminator ................................................................................................... 13

Gambar 2.10. Jenis-jenis aliran dalam dehumidifier dan regenerator (a) parallel

flow. (b) counter flow (c) cross flow. .......................................................... 13

Gambar 2.11. Difermsiasi dari permukaan temu ............................................................... 14

Gambar 2.12. Sistem dengan Volume kendali ................................................................... 16

Gambar 2.13. Diagram psikometri ..................................................................................... 20

Gambar 2.14. Skematis diagram psikometri ...................................................................... 21

Gambar 2.15. Rasio kelembaban W sebagai ordinat lain .................................................. 22

Gambar 2.16. Garis kelembaban relatif ............................................................................. 23

Gambar 2.17. Garis Jenuh ................................................................................................. 23

Gambar 2.18. Garis volume spesifik konstan .................................................................... 24

Gambar 2.19. Garis entalpi konstan ................................................................................... 25

Gambar 2.20. Proses-proses pengkondisian udara ............................................................. 25

Gambar 2.21. Pemanasan dan pendinginan sensibel .......................................................... 26

Gambar 2.22. Proses pelembaban udara ............................................................................ 26

Gambar 2.23. Proses pendinginan dan penurunan kelembaban ......................................... 27

Gambar 2.24. Proses penurunan kelembaban kimiawi ...................................................... 27

Gambar 2.25. (a) Skema proses pencampuran, (b) Proses pencampuran pada

Grafik psikometri ........................................................................................ 28

Gambar 2.26. Perpindahan kalor dan massa antara udara dan permukaan basah .............. 29

Gambar 2.27. Empat langkah berbeda untuk menurunkan kelembaban relatif dari

uap air. (a) Penurunan dengan udara kering, (b) Mengeringkan dengan

sorbent, (c) Refrigeresi dehumidifikasi, (d) Pemanasan

..................................................................................................................... 32

Gambar 2.28. Kondisi nyaman udara pada diagram psikometri ........................................ 33

Gambar 2.29. lustrasi diagramatik dari tiga komponen liquid sorbent dehumidifier : penyemprot dehumidifier, pompa sorbent dan regenerator

................................................................................................................... 35

Gambar 2.30. Karakteristik temperatur-kesetimbangan titik embun untuk

absorbent jenis organik ............................................................................... 36

Gambar 2.31. Karakteristik temperatur-kesetimbangan titik embun untuk absorbent

jenis inorganik ............................................................................................ 37

Gambar 2.32. (a) absorbent, (b) adsorbent ......................................................................... 37

Gambar 3.1 Skema solusi segregatedi ............................................................................ 40

Gambar 3.2 Skema solusi coupled .................................................................................. 41

Gambar 3.3 Volume kendali diskretisasi persamaan transpor scalar ............................. 42

Gambar 3.4 Variasi variable φ antara x = 0 and x = L .................................................. 45

Gambar 4.1. Model regenerator struktur packed ............................................................ 58

Gambar 4.2. Diagram Alir Preprocessing ....................................................................... 59

Gambar 4.3. Diagram Alir Solving .................................................................................. 61

Gambar 4.4. Regenerator ................................................................................................. 62

Gambar 4.5. Grid Tri pada Domain Regenerator ............................................................ 63

Gambar 4.6. Viskos .......................................................................................................... 64

Gambar 4.7. Energi .......................................................................................................... 64

Gambar 4.8. Model Spesies Transport ............................................................................. 65

Gambar 4.9. Model Discrete Phase ................................................................................. 65

Gambar 4.10. Model injection ........................................................................................... 66

Gambar 4.11. Panel Pendefinisian Material ....................................................................... 67

Gambar 4.12. Panel kondisi operasi ................................................................................... 67

Gambar 5.1. Perbandingan mass transfer pada temperature udara 30 °C ........................ 76

Gambar 5.2. Perbandingan mass transfer pada temperature udara 32 °C ........................ 77

Gambar 5.3. Perbandingan mass transfer pada temperature udara 34 °C ........................ 77

Gambar 5.4. Perbandingan mass transfer pada temperature udara 36 °C ........................ 77

Gambar 5.5. Perbandingan mass transfer pada temperature udara 38 °C ........................ 78

Gambar 5.6. Perbandingan mass transfer pada temperature udara 40 °C ........................ 78

Gambar 5.7. Grafik experiment Nelson Fumo dan D. Y. Goswami ................................ 79

Gambar 5.8. Grafik fluks massa dan mevap hasil simulasi ................................................ 81

Gambar 5.9. Grafik experiment Nelson Fumo dan D. Y. Goswami dan simulasi ........... 81

Gambar 5.10. Grafik experiment Nelson Fumo dan D. Y. Goswami ................................ 81

Gambar 5.11. Grafik laju humidifikasi dan temperatur pada simulasi .............................. 82

Gambar 5.12. Hubungan antara bilangan Reynold dan Sherwood M.G. Mousa ............... 83

Gambar 5.13. Hubungan antara bilangan Reynold dan Sherwood .................................... 84

Gambar 5.14. Bilangan Reynold dan Nusselt Witchayanuwat dan Kheawhom ................ 84

Gambar 5.15. Bilangan Reynold dan Nusselt Witchayanuwat dan Kheawhom ................ 85

Gambar 5.16. Hubungan antara bilangan Reynolds dan Nusselt ....................................... 85

Gambar 5.17. Hubungan antara bilangan Nusselt dan Sherwood ...................................... 86

Gambar 5.18. Aliran Turbulen Pada Simulasi ................................................................... 87

Gambar 5.19. Profil Kecepatan Udara Pada Simulasi ....................................................... 87

Gambar 5.20. Profil Temperatur Pada Simulasi ................................................................ 88

Gambar 5.21. Profil single spray desiccant Pada Simulasi ................................................ 88

Gambar 5.22. Profil kontinu spray desiccant Pada Simulasi ............................................. 89

DAFTAR TABEL

Gambar 4.13. Tipe Kondisi Batas ...................................................................................... 63

Gambar 4.14. Kondisi Batas dan Variasi Udara ................................................................ 68

Gambar 4.15. Kondisi Batas dan Variasi Desiccant .......................................................... 69

Tabel 5.1. Mass Transfer pada variasi kecepatan udara 5 m/s ..................................... 70

Tabel 5.2. Mass Transfer pada variasi kecepatan udara 7 m/s ..................................... 71

Tabel 5.3. Mass Transfer pada variasi kecepatan udara 9 m/s ..................................... 72

Tabel 5.4. Mass Transfer pada variasi kecepatan udara 11 m/s ................................... 74

Tabel 5.5. Mass Transfer pada variasi kecepatan udara 13 m/s ................................... 75

Tabel 5.6. Laju Humidifikasi Simulasi ........................................................................ 80

Tabel 5.7. Laju Humidifikasi Terhadap Temperatur .................................................... 82

Tabel 5.8. Bilangan Reynold dan Sherwood ................................................................ 83

Tabel 5.9. Bilangan Reynold dan Nusselt .................................................................... 85

Tabel 5.10. Bilangan Nusselt dan Sherwood ................................................................. 86

Nomenklatur Definisi Satuan

t Temperatur oC, K

T Temperatur oC, K

Tdb Temperatur bola kering oC

Twb Temperatur bola basah oC

Tdp Temperatur titik embun oC

Tsat@Pv Temperatur saturasi tekanan jenuh oC

cp Panas Spesifik J/kgK

cpm Panas Spesifik Udara basah J/kgK

h Entalpi kJ/kg

hfg Entalpi uap air kJ/kg

hg Entalpi udara kering kJ/kg

hc Koefisien Panas Konveksi W/m2K

hD Tetapan Kesetimbangan kg/m2

vsp Volume spesifik (udara) lembab m3/kg

g Rasio kelembaban kguap/kgudara

W Rasio kelembaban kguap/kgudara

V Kecepatan aliran udara m/s

m Massa desiccant g

X Konsentrasi desiccant %

V Kecepatan (m/s)

mevap Laju evaporasi (g/s)

w Laju Aliran massa kg/s

qs Laju Perpindahan Panas Sensibel W

A Luas Permukaan m2

Ra Tetapan gas untuk udara kering J/kgK

Rs Tetapan gas untuk uap air J/kgK

Pt Tekanan atmosferik Pa

Pa Tekanan parsial udara kering Pa

Ps Tekanan parsial uap air keadaan jenuh Pa

C Laju kapasitas panas kW/m2 0C

G Fluks massa kg/m2s

q” Fluks panas kW/m2

dh Diameter Hidraulik m

Re Reynold number

Sh Sherwood number

Nu Nusselt number

Greek Symbols Definisi Satuan

α Perbandingan beda tekanan uap

β Perbandingan beda temperatur

φ Kelembaban relatif %

ω Rasio kelembaban kguap/kgudara

Δ Selisih Rasio kelembaban guap/kgudara

ξ Konsentrasi desiccant %

Subscripts Definisi

a Udara

s Desiccant (solution)

evap Evaporasi (humidifikasi)

db Dry Bulb

wb Wet Bulb

dp Dew Point

i Inlet

o Outlet